klímatechnika Technológiák
írta: Komlós Ferenc, Fodor Zoltán
Elfolyó hidrotermikus energia hasznosítása hõszivattyúval távfûtési rendszerekhez A FOLYAMATOS ÜTEMBEN ÉS DRASZTIKUS MÉRTÉKBEN EMELKEDÕ ENERGIAÁRAK MIATT MINDENKI RÁKÉNYSZERÜL A TAKARÉKOSSÁGRA. A KÖLTSÉGCSÖKKENTÉS EGYIK FORMÁJA OLYAN TECHNOLÓGIÁK ALKALMAZÁSA, AMELYEK KÖZÉP- ÉS HOSSZÚTÁVON MINDENKÉPPEN MEGTÉRÜLNEK.
A különbözõ fûtési megoldások között a hõszivattyús technika kiemelkedõ minõségi elõnyei: nincs helyi károsanyag-kibocsátása, megújuló energiát hasznosít, és használata az energiahatékonyság növekedését jelenti. Hozzájárul az Európai Unió Megújuló Energia Stratégiájának alátámasztásához. A meglévõ épületek hõszigetelésének és tömörségé-
1 1. ábra: A nap- és a földenergia hõszivattyús hasznosításához jelentõs potenciállal, ill. hidrotermikus energiával rendelkezünk Forrás: Dr. Mádlné Szõnyi Judit: A geotermikus energiakészletek, kutatás, hasznosítás. Grafon Kiadó, Nagykovácsi, 2006.
nek fokozása már nemcsak a melegvízüzemû sugárzó fûtéseknél (padló-, fal- és mennyezetfûtés) és a fan-coilnál, hanem a radiátoros központi fûtéseknél is lehetõvé teszi a hõszivattyúk gazdaságos alkalmazását, amely mindenekelõtt a méretezési külsõ hõmérséklethez tartozó, 90 °C-nál jóval kisebb fûtési elõremenõ hõmérsékletbõl adódik. Az Európai Bizottság 2010. november 10én bemutatta új, 2020-ig szóló stratégiáját: „Energia 2020”. Günther Oettinger energiaügyi biztos ekkor a következõket mondta: „Az energiaügyi kihívások mindannyiunk számára hatalmas próbatételt jelentenek. Igaz ugyan, hogy energiarendszerünk új, fenntarthatóbb és biztonságosabb pályára állítása hosszabb idõt igényel, az alapvetõ döntések meghozatala azonban nem halasztható tovább. A korszerû vízgazdálkodás mind magasabb szintû technikai megvalósítása, szem A hatékony, versenyképes és kevés elõtt tartva az EU 2000-ben elfogadott egységes vízpolitikáját (Víz Keretirányelv), szén-dioxidot kibocsátó gazdaság megúj lehetõségeket teremt a felszíni vizek energetikai hasznosítása területén. teremtéséhez európaivá kell tennünk
70
2011. 3. I Hûtõ-, Klíma- és Légtechnikai Épületgépészeti szaklap
2 2. ábra: A hasznos hõtermelésre vetített CO2-kibocsátás és az SPF kapcsolata 3. ábra: Elvi vázlat. Távfûtés a Dunával (vagy más felszíni vizekkel) és hulladékhõvel (távfûtés földgáz nélkül)
3
energiapolitikánkat, és figyelmünk java részét arra a néhány területre kell összpontosítanunk, ahol a legsürgetõbb a fellépés.” Hazánk számára a nemzetközi együttmûködés erõsítése 2011 elsõ félévében az EU elnökség miatt különösen fontos feladat. A korszerû vízgazdálkodás mind magasabb szintû technikai megvalósítása, szem elõtt tartva az EU 2000-ben elfogadott egységes vízpolitikáját (Víz Keretirányelv), új lehetõségeket teremt a felszíni vizek energetikai hasznosítása területén (1. ábra). Magyarország felszíni vízkészletének kb. 95%-a külföldi eredetû, déli szomszédjainkat kivéve mindenhonnan folyókon keresztül érkezik a víz. E folyókon (Maros, Kõrös, Kraszna, Szamos, Bodrog, Hernád, Sajó, Zagyva, Ipoly, Duna stb.) érkezõ vízhozam: 3602 m3/s. A két legnagyobb folyónk a Duna (teljes hossza 2860 km, ebbõl a magyarországi szakasz 401 km, vízgyûjtõ 209 000 km2) és a Tisza (teljes hoszsza 964 km, ebbõl a magyarországi szakasz: 570 km, vízgyûjtõ 138 400 km2). Hazánk területén három nagyobb tó (Balaton, közepes víztükör 596 km2, Fertõ-tó, közepes víztükör 280 km2, ebbõl 82 km2 a ma-
gyarországi, illetve Velencei-tó, közepes víztükör 26 km2) és kb. 1200 természetes és mesterséges (pl. Markazi-, Rakacai-, Lázbérci-tározók, Tisza-tó) tó, illetve tározó található. A Duna-menti városoknak kiemelkedõ hidrológiai adottságaik vannak. E környezeti erõforrás hõszivattyús hasznosítása a Duna melletti városok levegõjét és környezetét élhetõbbé, egészségesebbé teheti, a betegségek és a halálozások száma csökkenhet. Célunk: közép- és hosszútávon a távhõszolgáltatás mûszaki színvonalának javítása, a lefedettségének növelése, és a hõszivattyúipar megteremtésével összefüggõ munkahelyek létrehozása. Igény lett a megújuló energia hasznosítása A településen élõ emberek a környezet romlásából elsõsorban a levegõ minõségének a változását érzékelik. Statisztikai adatok mutatják, hogy országunk lakosságának több mint a fele szennyezett levegõjû területen él. A legsúlyosabb helyzet azokban a városainkban alakult ki, ahol kevés a lombos növényzet. A sûrûn lakott településeken a sok kis káros-
Hûtõ-, Klíma- és Légtechnikai Épületgépészeti szaklap I 2011. 3.
71
klímatechnika Komlós Ferenc, Fodor Zoltán Elfolyó hidrotermikus energia hasznosítása hõszivattyúval távfûtési rendszerekhez
anyag-kibocsátóval szemben távfûtés esetén a szennyezõdés koncentráltan lép fel, és annak kezeléséhez fajlagosan jóval kisebb költség szükséges. Elvként rögzíthetõ: „egy magas kémény a sok kis kémény helyett”. A földgázfelhasználás a budapesti távfûtésnél túlsúlyos, és országos viszonylatban a földgáz 82%-át importból szerezzük be. A távfûtés hazánkban több településen napjainkra elveszítette versenyképességét, ezért is szükséges új utakat keresni a megújuló energia növelése irányába. A megújuló energia hasznosítása nem kizárólag gazdaságossági kérdés. Az ember életés munkakörnyezete is lényeges szempont lehet. Figyelembe kell venni a szükséges komfortot, a környezet védelmét, az energe4., 5. ábra: A földhõ melegítõ hatásának és a medencekollektorok elhelyezésének elvi vázlata.
tikai hatékonyságot is. A távhõellátásért felelõs tulajdonosoknak, az önkormányzatoknak jelenleg igen korlátozott cselekvési lehetõségük van az adott energiaszerkezetben, a hõszolgáltatás versenyképessé tételében. Magyarország új energiapolitikájában szerepet kap(hat) a geotermikus, a bioenergiát és a hõszivattyús megoldásokat felhasználó távhõszolgáltatás növelése. Jogszabályok segítségével el kellene érni, hogy például Budapesten a FÕTÁV Zrt. saját érdekébõl fokozatosan álljon át hõszivattyús megoldásokra. A hõszivattyús távfûtés néhány jellemzõje Hazánk távhõszolgáltatásának összefoglaló adataiból távfûtött lakások száma 655 ezer darab, a lakásállományunk kb. 16%-a; a távhõszolgáltató rendszerek száma 207 db; a fûtési idény átlaghõmérséklete 5 °C; a fûtési napok száma 191; az összes csúcshõigény 5279 MW; energiahordozó-felhasználás összesen: 49 908 TJ/év, ebbõl vezetékes gáz: 40 205 TJ/év. (2009. évi adatok. Forrás: Energia Központ Nonprofit Kft.)
72
4
Csökkenthetjük energiafüggõségünket, és ha idejében fejlesztjük az ehhez szükséges korszerû technikát új exporttermékek gyártásával és installálásával, oktatásával és kutatásával, térségünkben vezetõ szerephez juthatunk. Ezúton is ajánljuk az EU Duna Régió Stratégia projektek közé a hõszivattyús rendszerek alkalmazásának tömeges elterjesztési feladatát. A magyar mérnökök egyik kiemelkedõ apostolának, Heller Lászlónak mintegy hetven éves tudományos mûve a hõszivatytyúipar megteremtésével tárgyiasodhatna. A hõszivattyús rendszer által kiváltott széndioxid-mennyiség meghatározásánál egyrészt a közvetlenül kiváltott fosszilis tüzelõanyag révén megtakarított kibocsátás elkerülését kell figyelembe venni, másrészt a hõszivattyús körfolyamat munkavégzéséhez szükséges befektetett energia fosszilis energiatartalmát kell értékelni. Ha ehhez a munkához villamos energia szükséges, akkor az országos energiamérlegekben villamosenergia-termelésre felhasznált primer energiahordozók arányából kiindulva értékelik az energiaegységre jutó globális CO2-terhelést, mert ekkor helyi (lokális) viszonylatú CO2-terhelés nincs. A magyarországi erõmûvek tüzelõanyagfelhasználása és villamosenergia-termelésének adatai felhasználásával készült a 2. ábra, amely a villamos hõszivattyú alkalmazásának környezetvédelmi, energetikai és gazdaságos-
2011. 3. I Hûtõ-, Klíma- és Légtechnikai Épületgépészeti szaklap
sági indokoltsági tartományára ad szemléltetõ tájékoztatást [1]. 2013-tól a hõszivattyús rendszerek megújuló energia-felhasználásának elszámolása a 2008. év végén kiadott EU-irányelv, az ún. RES (megújuló energia) direktíva VII. melléklete b) része szerint: ERES = Qhasznos × (11/SPF), ahol: Qhasznos a hõszivattyúból származó teljes becsült hasznos hõenergia. Csak az SPF > 1,15 (1/ ) hõszivattyúk vehetõk figyelembe. SPF a becsült átlagos szezonálisteljesítmény-tényezõ (angol nyelven: Seasonal Performance Factor [kWh/kWh]). a teljes (bruttó) villamosenergia-termelés és a villamosenergia-termeléshez felhasznált elsõdleges (primer) energia aránya. Az EUROSTAT (Statistical Office of the European Communities: az Európai Közösségek Statisztikai Hivatala) adatai alapján megállapított EU-átlaggal kell kiszámolni. A Bizottság a számítás bevezetéséig még iránymutatásokat készít, hogy a tagállamok megbecsülhessék Qhasznos és SPF értékeit különbözõ hõszivatytyúzási technológiák esetében. A hazai villamosenergia-rendszer átlagos hatásfoka, amivel helyileg a hõszivattyúknál számolni lehet: = erõmû × hálózat, ahol: erõmû a magyarországi összes erõmûvi technológiák hatásfokaiból és részarányából számítható (értéke a kezdetektõl fogva növekedik — ma is, és elõre várhatóan a jövõben is
Irodalomjegyzék [1] Komlós Ferenc - Fodor Zoltán - Kapros Zoltán - Dr. Vajda József - Vaszil Lajos: Hõszivattyús rendszerek. Heller László születésének centenáriumára. Magánkiadás, Komlós F. Dunaharaszti, 2009. [2] Dr. Haidegger Ernõ: A hõszivattyú szerepe az energiagazdaságban. Különlenyomat a Magyar Mérnök- és Építész Egylet kiadásában megjelenõ Értekezések, beszámolók a mûszaki és gazdaságtudományok körébõl 1943. évi IV. füzetébõl. Stádium Sajtóvállalat Részvénytársaság, Budapest, 1943.
Jelen cikk a Magyar Ipari Ökológiai Társaság szimpóziumán, 2010. november 18-19. Debreceni Egyetem AGTC Gazdálkodástudományi és Vidékfejlesztési Karán elhangzott azonos címû elõadás szerkesztett változata.
határozottan növekedik), hálózat a hálózati hatásfok (szállítási és elosztási hatásfok, ez csak hosszabb távon növekvõ érték). A fenti képlet számértékekkel behelyettesítve: = 0,35 × 0,90 = 0,315, illetve 31,5%. A szezonálisteljesítmény-tényezõ ezzel: SPF = 1,15 (1/ ) ~ 3,65. Ennyi szükséges a hõszivattyúzási technológiától függetlenül. Ez az érték elõírható a pályázatoknál, mint elérendõ minimum. Fontos hangsúlyozni, hogy a szezonálisteljesítmény-tényezõ, SPF valós értékét mérések alapján lehet meghatározni: a hõszivattyú mûködéséhez szükséges villamosáram-fogyasztás [kWh] és a hõszivattyú által leadott hõmennyiség mérésével [kWh]. Pontos értéke számos adottságtól és körülménytõl függ,
Felszíni vizek energetikai hasznosítása Alapelv: a felhasználási helyre a kis hõmérsékletû tápvizet kell szállítani kis veszteséggel, és a felhasználási helyen hõszivattyúval hasznosítani (3. ábra). Fûtés a Duna vizével: a folyóvíz felhasználása során az elõkészítési (pl. ülepítés, szûrés, lágyítás, gáztalanítás) módszerek azon megoldásai kerüljenek alkalmazásra, amelyek feltétlenül szükségesek, és az adott cél elérésére a legalkalmasabbak. A hõszivattyús rendszert úgy lenne célszerû kialakítani, hogy a téli hidegebb idõszakokban is a vízhõmérsékletet min. 6,0 °C-on kellene tartani a rendszerbe épített hõcserélõn keresztül bevitt hulladékhõvel, esetleg termálvízzel, vagy közvetlenül,
5
például az adott épület funkciójától, használatától, a hõforrás és a hõleadás mindenkori hõmérsékletszintjétõl, a hõlépcsõktõl, a fûtési idõszaktól, a külsõ és a belsõ hõmérséklettõl, a vezérléstõl, a szabályozástól, a hõszivattyús rendszer tervezésének, kivitelezésének, üzememeltetésének (például szellõzés, helyiség-túlfûtés) és karbantartásának szakszerûségétõl, a társadalmi szokásoktól, a fogyasztói magatartástól. Jelezzük, hogy a hõszivattyú kondenzátor-oldali hõmérsékletének (fûtési elõremenõ vezeték hõmérsékletének) szabályozása a külsõ hõmérséklet függvényében történjen. A befolyásoló tényezõk többsége nemcsak hõszivattyús rendszerû fûtésre, illetve hûtésre vonatkozik. A nyilvánvalóan felesleges energiafogyasztás megszüntetése, az energiatakarékosság elsõsorban fogyasztói magatartás kérdése.
lenne képes kiváltani. A ténylegesen szükséges terület kW-onként kb. 10 m2, 1,8-2,4 m mélységû vízmedencét feltételezve. A tó vizének temperálásával a rendszer SPF-értékét magas szinten lehetne tartani, illetve a példában számítottnál is nagyobb értékre lehetne növelni (geotermikus energia, hulladékhõ, szennyvizek hõje). Jellemzõje a stabil, biztonságos üzem, mert télen a rendszer akár fagypont alatti hõmérsékleten is képes megfelelõ fûtési tényezõvel (COP-értékkel) üzemelni. Ez a rendszer is alkalmas távhõszolgáltatásra. Ebben az esetben is irányelv legyen, hogy a tó viszonylag kis hõmérsékletû vizét (télen a jégtakaró alatt a vízmedencék kb. 4 °C hõmérsékletet tudnak fenntartani) kell talajba süllyesztett (min. 2,0 m mélység), nem szigetelt mûanyagvezetéken a felhasználás helyére vezetni, s az épületek hõközpontjaiban elhelyezett hõszivattyúkkal a megfelelõ hõmérsékletre szállítani. Fõbb mûszaki-gazdasági adatok összehasonlítása egy elkészített ajánlat felhasználásával: 5 MW-os szokványos fûtõ-hûtõ rendszer Évi gázfelhasználás: 1 520 339 Nm3/év. Villamos fogyasztás (split): 837 200 kWh/év. Éves költség összesen: 241 millió Ft/év.
Egy 5,0 ha felületû, 2,5 m mélységû tó 5,0 MW teljesítményû fûtõ-hûtõ rendszert képes kiszolgálni, amely közel 1000 lakás energiagondját, üzemeltetési költségét lenne képes kiváltani.
parti szûrésû kutak melegebb vizének felhasználásával. Az elfolyó víz hõmérsékletét 2,0 °C legkisebb hõmérsékletre szükséges leszabályozni. A Duna vízkivételét és visszavezetését a tél leghidegebb idõszakában a hálózat megfelelõ szakaszolásával meg kell szüntetni. Az ilyenkor keringtetett folyóvíz melegítését a hõcserélõben más hõtermelõ, illetve csúcskazán biztosíthatja (elvi ábra errõl nem készült). Tószonda alkalmazása (4., 5., és 6. ábra): a másik megoldás, ahol erre lehetõség van, egy tószondás rendszer. Egy 5,0 ha felületû, 2,5 m mélységû tó 5,0 MW teljesítményû fûtõ-hûtõ rendszert képes kiszolgálni, amely közel 1000 lakás energiagondját, üzemeltetési költségét
Tószondás rendszer Villamos fogyasztás: 2 368 080 kWh/év. Éves költség összesen: 74 millió Ft/év. Primerenergia-megtakarítás: 69%. Költségmegtakarítás: 167 millió Ft/év. A távhõfogyasztás elszámolása Napjainkban mûszakilag elhasználódott belvárosok, belsõ kerületek teljes körû újjáépítését és felújítását végzik a nagyvárosokban és a kisebb településeken. Megújulnak az egyes lakó- és középületek. Épületrekonstrukció esetén is szükséges a korszerû energiaellátás. Energiatakarékossági és kényelmi szempontok ma már megkívánják a helyiségenkénti hõmérsékletszabályozást. Az egyes fogyasztók,
Hûtõ-, Klíma- és Légtechnikai Épületgépészeti szaklap I 2011. 3.
73
klímatechnika Komlós Ferenc, Fodor Zoltán Elfolyó hidrotermikus energia hasznosítása hõszivattyúval távfûtési rendszerekhez
5. ábra: Víz alatti kollektorok telepítési vázlata és keresztmetszetének rajza
6
A ténylegesen szükséges terület kW-onként kb. 10 m2, 1,8-2,4 m mélységû vízmedencét feltételezve.
lakások hõellátása, illetve a fogyasztás különkülön való megosztása a radiátoronkénti költségmegosztókkal megoldható. A meglévõ távfûtések fûtéskorszerûsítése során ún. költségosztási mérési rendszereket hoznak létre. Az „egy bekötés — egy mérés” elvét a nagymértékû csõvezeték-hálózati átalakítások miatt csak épületekre, épületrészekre terjesztik ki. A hõfogyasztók is joggal elvárják a távhõnek a hõenergia felhasználásával arányos elszámolá-
74
sát, hiszen a lakások üzemeltetési költségei között jelenleg az egyik legnagyobb költség a lakások fûtése. Tekintettel arra, hogy a távhõszolgáltatásba való bekapcsolódás helyi csatlakoztatást igényel, és minden épületnek saját csõhálózata van, a csõvezetéken szállított távhõ átadását az épület hõközpontjában hõcserélõk vagy hõszivattyúk is biztosíthatják. A fûtési rendszer kialakítása az egész létesítmény épületgépészeti tervezését is befolyásolhatja.
2011. 3. I Hûtõ-, Klíma- és Légtechnikai Épületgépészeti szaklap
Növelt hõmérsékletû hõszivattyúk radiátoros hõleadóval rendelkezõ távfûtésekhez A hõszivattyúzásnak a helyi, magyarországi viszonyokra alakítása — elegendõ tapasztalat hiányában — még kezdeti állapotban van. A fejlett országok technológiájának hazai másolása önmagában nem biztosítja a hatásos mûködést. Ennek oka, hogy sajátosan eltérõek például a meteorológiai, hidrológiai, geológiai viszonyaink, lakóépületeink hõszigetelése, fûtése. A hazai viszonyokra méretezett rendszerek kifejlesztésével piaci lehetõség nyílik térségünkben határainkon kívül is versenyképes technológiákat kialakítani. Sok épületnél földhõszivattyú alkalmazásakor a hõleadók megváltoztatása és az elosztó csõvezeték cseréje is szükséges — például radiátor helyett fan-coil — a hõszivattyúval elõállított kis fûtõvízhõmérséklet miatt. Ez pedig jelentõs többletköltséget eredményez, ezért ahol hûtési funkcióra nincs igény, a hõtermelõ cseréje sok esetben elmarad. A fejlesztéstõl azt remélhetjük, hogy ezzel sikerülhet magasabb hõmérsékletet elõállító hõszivattyúkat megkonstruálni. Példák évtizedekkel ezelõtt megvalósult hõszivattyús rendszerekre Egy 1943-ban írt magyar nyelvû kiadvány példái felszíni vizek hõtartalmának hõszivattyúval történõ hasznosítására [2]: a zürichi mûegyetem távfûtõközpontja (fûtés a Limmat folyó vizével), a Bodeni-tó melletti textilgyár hõellátása (fûtés a Bodeni-tó vizével), Berlin egyik városrészének távfûtése (fûtés a Spree folyó vizével). „Joggal reméljük — amit meggyõzõdéssel vallok is —, hogy általános energiagazdaságunk racionalizálásának a közeljövõben a hõszivattyú
egyik legértékesebb eszközévé fog válni!” Befejezésül Teller Ede (1908-2003) gondolatával zárjuk írásunkat: „Ha azt kérdezik, hogy nem késtünk-e el, hogy visszafordítható-e még az a rombolás, amit az emberiség ejtett a természeten, a válaszom az, hogy nem késtünk el. Amíg él az akarat, addig sosincs késõ. Ha pedig az emberek közösen akarnak valamit, akkor azt meg is teszik, ezáltal érvén el céljukat, bármi is legyen az.”
